В одному ударі блискавки скільки тисяч вольт. Види блискавок: лінійні, внутрішньохмарні, наземні

Блискавка – це розряд із силою струму до 100 тис. ампер при напрузі в мільйон вольт. У природі є кілька типів блискавок. Найчастіше ми можемо спостерігати лінійну блискавку, яка є вогненною звивистою смугою з численними відгалуженнями.

Ще один тип блискавки – плоска блискавка. Ми можемо спостерігати її як електричний спалах на поверхні хмари. Блискавка, яка зустрічається досить рідко, але надзвичайно цікавим типом блискавка – чоткова блискавка. Вона має вигляд пунктирної лінії, що світиться.

Але одним із найзагадковіших явищ природи можна вважати кульову блискавку - газову освіту, що світиться і має, як правило, сферичну форму. Кульова блискавка з'являється на вулиці або всередині приміщення завжди несподівано, іноді просто на очах народжується буквально з нічого. Трапляється, що вона якимось чином "вилітає" із звичайних побутових предметів: радіоприймачів, антен, телефонних апарт тощо.

Але найдивовижнішим є те, що цей витвір природи здатний проникати в приміщення через відкриті вікна та двері, а то й через маленькі щілини. У 90 випадках зі 100 кульові блискавки утворюються під час сильної грози, а також з'являються під час виверження вулканів. Завершує своє існування це диво природи по-різному: іноді просто поступово згасає, іноді розсипається іскрами. Небезпечним варіантом "смерті" кульової блискавки є вибух. Він іноді буває надзвичайно потужним і може призвести до загибелі людей, що знаходяться поряд. Поразка людини вогненною кулею залишає на тілі сліди, що нагадують результати ураження внаслідок високовольтної напруги. Так, вчені стверджують, що природа кульової блискавки є електричною. Зафіксовано силу - безліч повідомлень про те, які своєрідні сліди залишають блискавки. Наприклад, 1872 року жителька міста Моргантаун (США), яка стояла під час грози біля вікна, налякав спалах блискавки. Незабаром жінка помітила у себе на грудях чіткий контур китайського ясеня, який зростав перед тим вікном її будинку, через яке вона спостерігала за грозою. Але торкаючись землі, блискавка часто залишає після себе дещо інші "сліди". Якщо грунт піщаний, то кремнезем у ньому плавиться, перетворюючись на склоподібні трубки, схожі на переплетення коріння дерев. Вони показують шлях у ґрунті електричного розряду, який здатний викликати електрошок у людей, які перебувають навіть за кілька метрів від місця падіння блискавки.

Блискавки потрапляють у літаки, теле- та радіоапаратуру, підстанції електромереж та опори лінії електропередач. Блискавка також може спричинити лісові пожежі. Досить часто блискавки стають причиною загибелі людей. Особливо небезпечно під час грози перебувати на відкритому пагорбі або в морі.

Один із наймасовіших випадків загибелі людей (3 тис. осіб) мала місце в Північній Італії 18 серпня 1796 р. Блискавка потрапила до вежі св. Назарія, під якою знаходився льох, де зберігалося близько мільйона кілограмів пороху.

Але у всіх випадках блискавка поводиться агресивно. Траплялися випадки, коли у людини, яка постраждала від поразки блискавкою, часто з'являються незвичайні здібності, як це сталося зі знаменитою болгарською провісницею Вангою.

Декілька років тому блискавка вразила літнього американця неподалік його будинку. Здивуванню лікарів не було межі, коли вони побачили, що блискавка миттєво зцілила цю людину, яка багато років тому засліпла та оглухла.

А чи є блискавкозахисту якась користь? Виявляється, що все ж таки є. "Заземлюючим" атмосферу, вони допомагають їй позбутися величезних запасів електроенергії. Блискавки також удобрюють ґрунт. Коли блискавка вдаряє, повітря розігрівається і кисень і азот, що містяться в повітрі, з'єднуються, утворюючи оксиди азоту, які, потрапляючи в землю разом з дощовою водою, підгодовують рослини. Щорічно блискавки створюють до 15 млн. т. азотистих добрив - це четверта частина азоту, що утворюється в природі. Лісові пожежі перетворюють сушняк на золу, збагачуючи цим ґрунт мінеральними речовинами. Вогонь стимулює пророщування насіння у землі та звільняє місце для нової порослі.

Lightning 1882
(c) Photographer: William N. Jennings, c. 1882

Електрична природа блискавки була розкрита в дослідженнях американського фізика Б. Франкліна, за ідеєю якого був проведений досвід із вилучення електрики з грозової хмари. Широко відомий досвід Франкліна щодо з'ясування електричної природи блискавки. В 1750 їм опублікована робота, в якій описаний експеримент з використанням повітряного змія, запущеного в грозу. Досвід Франкліна був описаний у роботі Джозефа Прістлі.

Фізичні властивості блискавки

Середня довжина блискавки 2,5 км, деякі розряди тягнуться в атмосфері на відстань до 20 км.

Формування блискавки

Найчастіше блискавка виникає у купово-дощових хмарах, тоді вони називаються грозовими; іноді блискавка утворюється в шарувато-дощових хмарах, а також при вулканічних виверженнях, торнадо та пилових бурях.

Зазвичай спостерігаються лінійні блискавки, які належать до так званих безелектродних розрядів, оскільки вони починаються (і закінчуються) у скупченнях заряджених частинок. Це визначає їх деякі досі не пояснені властивості, що відрізняють блискавки від розрядів між електродами. Так, блискавки не бувають коротшими за кілька сотень метрів; вони виникають в електричних полях значно слабших, ніж поля при міжелектродних розрядах; збирання зарядів, що переносяться блискавкою, відбувається за тисячні частки секунди з мільярдів дрібних, добре ізольованих один від одного частинок, розташованих в об'ємі кількох км³. Найбільш вивчений процес розвитку блискавки в грозових хмарах, при цьому блискавки можуть проходити в самих хмарах. внутрішньохмарні блискавки, а можуть ударяти в землю - наземні блискавки. Для виникнення блискавки необхідно, щоб у відносно малому (але не менше деякого критичного) обсягу хмари утворилося електричне поле (див. атмосферну електрику) з напруженістю, достатньою для початку електричного розряду (~ 1 МВ/м), а в значній частині хмари існувало б поле із середньою напруженістю, достатньої підтримки початку розряду (~ 0,1-0,2 МВ/м). У блискавці електрична енергія хмари перетворюється на теплову, світлову та звукову.

Наземні блискавки

Процес розвитку наземної блискавки складається із кількох стадій. На першій стадії, в зоні, де електричне поле досягає критичного значення, починається ударна іонізація, що створюється спочатку вільними зарядами, що завжди є в невеликій кількості в повітрі, які під дією електричного поля набувають значних швидкостей у напрямку до землі і, стикаючись з молекулами, що становлять повітря, іонізують їх.

За найсучаснішими уявленнями, іонізація атмосфери для проходження розряду відбувається під впливом високоенергетичного космічного випромінювання - частинок з енергіями 10 12 -10 15 еВ, що формують широку атмосферну зливу (ШАЛ) зі зниженням пробивної напруги повітря на порядок від такого за нормальних умов.

За однією з гіпотез, частинки запускають процес, який отримав назву пробою на електронах, що тікають. Таким чином виникають електронні лавини, що переходять у нитки електричних розрядів. стримери, що є добре провідними каналами, які, зливаючись, дають початок яскравому термоіонізованому каналу з високою провідністю - східчастому лідеру блискавки.

Рух лідера до земної поверхні відбувається сходамикілька десятків метрів зі швидкістю ~ 50 000 кілометрів на секунду, після чого його рух зупиняється на кілька десятків мікросекунд, а світіння сильно слабшає; потім у наступній стадії лідер знову просувається на кілька десятків метрів. Яскраве світіння охоплює у своїй всі пройдені щаблі; потім знову зупинка і ослаблення світіння. Ці процеси повторюються під час руху лідера до землі із середньою швидкістю 200 000 метрів на секунду.

У міру просування лідера до землі напруженість поля на його кінці посилюється і під його дією з предметів, що виступають на поверхні Землі, викидається стример у відповідьз'єднується з лідером. Ця особливість блискавки використовується для створення блискавковідводу.

У заключній стадії по іонізованому лідером каналу слідує зворотний(знизу вгору), або головний, розряд блискавки, Що характеризується струмами від десятків до сотень тисяч ампер, яскравістю, помітно перевищує яскравість лідера, і великою швидкістю просування, що спочатку доходить до ~ 100 000 кілометрів на секунду, а наприкінці зменшується до ~ 10 000 кілометрів на секунду. Температура каналу за головного розряду може перевищувати 2000-3000 °C. Довжина каналу блискавки може бути від 1 до 10 км, діаметр – кілька сантиметрів. Після проходження імпульсу струму іонізація каналу та його світіння слабшають. У фінальній стадії струм блискавки може тривати соті і навіть десяті частки секунди, досягаючи сотень і тисяч ампер. Такі блискавки називають затяжними, вони найчастіше викликають пожежі. Але земля не є зарядженою, тому прийнято вважати, що розряд блискавки походить від хмари у напрямку до землі (згори донизу).

Головний розряд розряджає нерідко лише частину хмари. Заряди, розташовані на великих висотах, можуть дати початок новому (стрілоподібному) лідеру, що безперервно рухається зі швидкістю в тисячі кілометрів в секунду. Яскравість його світіння близька до яскравості східчастого лідера. Коли стрілоподібний лідер доходить до поверхні землі, слідує другий головний удар, подібний до першого. Зазвичай блискавка включає кілька повторних розрядів, але їх кількість може сягати кількох десятків. Тривалість багаторазової блискавки може перевищувати 1 сек. Зміщення каналу багаторазової блискавки вітром створює так звану стрічкову блискавку - смугу, що світиться.

Внутрішньохмарні блискавки

Внутріхмарні блискавки над Тулузою, Франція. 2006 рік

Внутрішньохмарні блискавки включають зазвичай лише лідерні стадії; їхня довжина коливається від 1 до 150 км. Частка внутрішньохмарних блискавок зростає зі зсувом до екватору , змінюючись від 0,5 в помірних широтах до 0,9 в екваторіальній смузі. Проходження блискавки супроводжується змінами електричних і магнітних полів та радіовипромінюванням, так званими атмосфериками.

Політ з Калькутти до Мумбаї.

Імовірність ураження блискавкою наземного об'єкта зростає в міру збільшення його висоти та зі збільшенням електропровідності ґрунту на поверхні або на деякій глибині (на цих факторах заснована дія громовідводу). Якщо в хмарі існує електричне поле, достатнє для підтримки розряду, але недостатнє для виникнення, роль ініціатора блискавки може виконати довгий металевий трос або літак - особливо, якщо він сильно електрично заряджений. Таким чином іноді «провокуються» блискавки в шарувато-дощових та потужних купових хмарах.

Блискавки у верхній атмосфері

У 1989 році було виявлено особливий вид блискавок - ельфи, блискавки у верхній атмосфері. У 1995 році було відкрито інший вид блискавок у верхній атмосфері-джети.

Ельфи

Джети

Джетиє трубки-конуси синього кольору. Висота джетів може досягати 40-70 км (нижня межа іоносфери), живуть джети відносно довше ельфів.

Спрайти

Спрайтиважко помітні, але вони з'являються майже будь-яку грозу на висоті від 55 до 130 кілометрів (висота утворення «звичайних» блискавок - не більше 16 кілометрів). Це якась подоба блискавки, що б'є з хмари нагору. Вперше це явище було зафіксовано у 1989 році випадково. Зараз про фізичну природу спрайтів відомо дуже мало.

Взаємодія блискавки з поверхнею землі та розташованими на ній об'єктами

Глобальна частота ударів блискавок (шкала показує кількість ударів на рік на квадратний кілометр)

Згідно з ранніми оцінками, частота ударів блискавок на Землі становить 100 разів на секунду. За сучасними даними, отриманими за допомогою супутників, які можуть виявляти блискавки в місцях, де не ведеться наземне спостереження, ця частота становить у середньому 44 ± 5 ​​разів на секунду, що відповідає приблизно 1,4 мільярда блискавок на рік. 75% цих блискавок ударяє між хмарами або всередині хмар, а 25% - у землю.

Найпотужніші блискавки викликають народження фульгуритів.

Ударна хвиля від блискавки

Розряд блискавки є електричним вибухом і в деяких аспектах схожий на детонацію. Він викликає появу ударної хвилі, небезпечної у безпосередній близькості. Ударна хвиля від досить потужного грозового розряду на відстанях до кількох метрів може завдавати руйнування, ламати дерева, травмувати та контузити людей навіть без безпосереднього ураження електричним струмом. Наприклад, при швидкості наростання струму 30 тисяч ампер за 0,1 мілісекунду та діаметрі каналу 10 см можуть спостерігатися наступні тиски ударної хвилі:

• на відстані від центру 5 см (кордон блискавки, що світиться) - 0,93 МПа,
• на відстані 0,5 м - 0,025 МПа (руйнування неміцних будівельних конструкцій та травми людини),
• на відстані 5 м - 0,002 МПа (вибивання стекол та тимчасове оглушення людини).

На великі відстані ударна хвиля вироджується в звукову хвилю - грім .

Люди та блискавка

Блискавки – серйозна загроза для життя людей. Поразка людини або тварини блискавкою часто відбувається на відкритих просторах, оскільки електричний струм йде найкоротшим шляхом «грозова хмара-земля». Часто блискавка потрапляє у дерева та трансформаторні установки на залізниці, викликаючи їх загоряння. Поразка звичайною лінійною блискавкою всередині будівлі неможлива, проте існує думка, що так звана кульова блискавка може проникати через щілини та відкриті вікна. Звичайний грозовий розряд небезпечний для телевізійних та радіоантен, розташованих на дахах висотних будівель, а також для мережного обладнання.

В організмі постраждалих відзначаються такі ж патологічні зміни, як при ураженні електрострумом. Жертва втрачає свідомість, падає, можуть відзначатися судоми, часто зупиняється дихання та серцебиття. На тілі зазвичай можна виявити "мітки струму", місця входу та виходу електрики. У разі смертельного результату причиною припинення основних життєвих функцій є раптова зупинка дихання та серцебиття, від прямої дії блискавки на дихальний та судинно-руховий центри довгастого мозку. На шкірі часто залишаються так звані знаки блискавки, деревоподібні світло-рожеві або червоні смуги, що зникають при натисканні пальцями (зберігаються протягом 1-2 діб після смерті). Вони – результат розширення капілярів у зоні контакту блискавки з тілом.

Блискавка проходить у стовбурі дерева шляхом найменшого електричного опору, з виділенням великої кількості тепла, перетворюючи воду на пару, яка розколює стовбур дерева або частіше відриває від нього ділянки кори, показуючи шлях блискавки. У наступні сезони дерева зазвичай відновлюють пошкоджені тканини і можуть закривати рану цілком, залишивши лише вертикальний шрам. Якщо шкода є надто серйозною, вітер і шкідники зрештою вбивають дерево. Дерева є природними громовідводами і, як відомо, забезпечують захист від удару блискавки для прилеглих будівель. Висаджені біля будівлі високі дерева вловлюють блискавки, а висока біомаса кореневої системи допомагає заземлювати розряд блискавки.

Тому не можна ховатися від дощу під деревами під час грози, особливо під високими або одиночними на відкритій місцевості.

З дерев, вражених блискавкою, виготовляють музичні інструменти, приписуючи їм унікальні властивості.

Блискавка та електроустановки

Розряди блискавок становлять велику небезпеку для електричного та електронного обладнання. При прямому попаданні блискавки в дроти лінії виникає перенапруга, що викликає руйнування ізоляції електрообладнання, а великі струми обумовлюють термічні пошкодження провідників. Для захисту від грозових перенапруг електричні підстанції та розподільчі мережі обладнуються різними видами захисного обладнання, такими як розрядники, нелінійні обмежувачі перенапруги, довгоіскрові розрядники. Для захисту від прямого влучення блискавки використовуються блискавковідводи та грозозахисні троси. Для електронних пристроїв загрожує також і електромагнітний імпульс, створюваний блискавкою.

Блискавка та авіація

Атмосферна електрика взагалі та блискавки зокрема становлять значну загрозу для авіації. Попадання блискавки в літальний апарат викликає розтікання струму великої величини за його конструкційними елементами, що може спричинити їхнє руйнування, пожежу в паливних баках, відмови обладнання, загибель людей. Для зниження ризику металеві елементи зовнішньої обшивки літальних апаратів ретельно з'єднуються електрично один з одним, а неметалеві елементи металізуються. Таким чином забезпечується низький електричний опір корпусу. Для стікання струму блискавки та іншої атмосферної електрики з корпусу літальні апарати обладнуються розрядниками.

Зважаючи на те, що електрична ємність літака, що знаходиться в повітрі невелика, розряд «хмара-літак» має істотно меншу енергію в порівнянні з розрядом «хмара-земля». Найбільш небезпечна блискавка для літака або вертольота, що низько летить, тому що в цьому випадку літальний апарат може зіграти роль провідника струму блискавки з хмари в землю. Відомо, що літаки на великих висотах порівняно часто уражаються блискавкою, проте випадки катастроф з цієї причини поодинокі. У той же час відомо дуже багато випадків поразки літаків блискавкою на зльоті та посадці, а також на стоянці, які закінчилися катастрофами чи знищенням літального апарату.

Блискавка та надводні кораблі

Блискавка також становить дуже велику загрозу для надводних кораблів через те, що останні піднесені над поверхнею моря і мають багато гострих елементів (щогли, антени), які є концентраторами напруженості електричного поля. За часів дерев'яних вітрильників, які мають високий питомий опір корпусу, удар блискавки практично завжди закінчувався для корабля трагічно: корабель згоряв або руйнувався, від ураження електричним струмом гинули люди. Клепані сталеві судна також були вразливі для блискавки. Високий питомий опір заклепувальних швів викликав значне локальне тепловиділення, що призводило до виникнення електричної дуги, пожеж, руйнування заклепок та появи водотечності корпусу.

Зварний корпус сучасних суден має низький питомий опір і забезпечує безпечне розтікання струму блискавки. Виступаючі елементи надбудови сучасних суден надійно електрично з'єднуються з корпусом і забезпечують безпечне розтікання струму блискавки.

Діяльність людини, що викликає блискавку

При наземному ядерному вибуху за частки секунди до приходу кордону вогненної півсфери в декількох сотнях метрів (~400-700 м при порівнянні з вибухом 10,4 Мт) від центру гамма-випромінювання, що дійшло, продукує електромагнітний імпульс з напруженістю на рівні ~100-100 м, що викликає розряди блискавок, що б'ють від землі до приходу кордону вогненної півсфери.

Див. також

Примітки

1. Єрмаков В.І., Стожков Ю.І.Фізика грозових хмар// Фізичний інститут ім. П.М. Лебедєва, РАН, М.2004 :37
2. У виникненні блискавок звинуватили космічні промені Lenta.Ru, 09.02.2009
3. Червоні Ельфи та Сині Джети
4. ELVES, a primer: Ionospheric Heating By the Electromagnetic Pulses from Lightning
5. Fractal Models of Blue Jets, Blue Starters Show Similarity, Differences to Red Sprites
6. VP. Паско, M.A. Stanley, JD. Matthews, U.S. Inan та T.G. Wood (March 14, 2002) "Electrical discharge from the thundercloud top to the lower ionosphere, " Nature, Vol. 416, pages 152-154.
7. Появу НЛО пояснили спрайтами. lenta.ru (24.02.2009). Архівовано з першоджерела 23 серпня 2011 року. Перевірено 16 січня 2010 року.
8. John E. Oliver Encyclopedia of World Climatology. - National Oceanic and Atmospheric Administration, 2005. - ISBN 978-1-4020-3264-6
9. . Національна Oceanic and Atmospheric Administration. Архівовано
10. . NASA Science. Science News. (December 5, 2001). Архівовано з першоджерела 23 серпня 2011 року. Перевірено 15 квітня 2011 року.
11. К. БОГДАНОВ «БЛИЩЕННЯ: БІЛЬШЕ ПИТАНЬ, НІЖ ВІДПОВІДЕЙ». «Наука та життя» № 2, 2007
12. Живлюк Ю.М., Мандельштам С.Л. Про температуру блискавки та силу грому // ЖЕТФ. 1961. Т. 40, вип. 2. С. 483-487.
13. Н. А. Кун "Легенди та міфи Стародавньої Греції" ТОВ "Видавництво АСТ" 2005-538,с. ISBN 5-17-005305-3 Стор.35-36.

Щосекунди в атмосфері Землі виникає приблизно 700 блискавок, і щороку біля 3000 людина гинуть через удар блискавки. Фізична природа блискавки остаточно не пояснена, а більшість людей мають лише приблизне уявлення про те, що це таке. Якісь розряди стикаються в хмарах, або щось таке. Сьогодні ми звернулися до наших авторів з фізики, щоб дізнатися більше про природу блискавки. Як з'являється блискавка, куди б'є блискавка і чому гримить грім. Прочитавши статтю, ви знатимете відповідь на ці та багато інших питань.

Що таке блискавка

Блискавка- Іскровий електричний розряд в атмосфері.

Електричний розряд- Це процес протікання струму в середовищі, пов'язаний із суттєвим збільшенням її електропровідності щодо нормального стану. Існують різні види електричних розрядів у газі: іскровий, дуговий, тліючий.

Іскровий розряд відбувається при атмосферному тиску та супроводжується характерним тріском іскри. Іскровий розряд є сукупністю зникають і змінюють один одного ниткоподібних іскрових каналів. Іскрові канали також називають стрімерами. Іскрові канали заповнені іонізованим газом, тобто плазмою. Блискавка – гігантська іскра, а грім – дуже гучний тріск. Але не все так просто.

Фізична природа блискавки

Як пояснюють походження блискавки? Система хмара-земляабо хмара-хмарає своєрідним конденсатором. Повітря відіграє роль діелектрика між хмарами. Нижня частина хмари має від'ємний заряд. За достатньої різниці потенціалів між хмарою та землею виникають умови, в яких відбувається утворення блискавки в природі.

Ступінчастий лідер

Перед основним спалахом блискавки можна спостерігати невелику пляму, що рухається від хмари до землі. Це так званий ступінчастий лідер. Електрони під впливом різниці потенціалів, починають рухатися до землі. Рухаючись, вони стикаються з молекулами повітря, іонізуючи їх. Від хмари до землі прокладається ніби іонізований канал. Через іонізації повітря вільними електронами електропровідність у зоні траєкторії лідера суттєво зростає. Лідер прокладає шлях для основного розряду, рухаючись від одного електрода (хмари) до іншого (землі). Іонізація відбувається нерівномірно, тому лідер може розгалужуватися.

Зворотній спалах

У момент, коли лідер наближається до землі, напруженість на кінці зростає. З землі або з предметів, що виступають над поверхнею (дерева, дахи будівель) назустріч лідеру викидається стример у відповідь (канал). Ця властивість блискавок використовується захисту від них шляхом встановлення громоотвода. Чому блискавка б'є в людину чи в дерево? Насправді їй байдуже, куди бити. Адже блискавка шукає найкоротший шлях між землею та небом. Саме тому під час грози небезпечно перебувати на рівнині чи поверхні води.

Коли лідер досягає землі, прокладеним каналом починає текти струм. Саме в цей момент і спостерігається основний спалах блискавки, що супроводжується різким зростанням сили струму та виділенням енергії. Тут доречне питання, звідки йде блискавка?Цікаво, що лідер поширюється від хмари до землі, а ось зворотний яскравий спалах, який ми і звикли спостерігати, поширюється від землі до хмари. Правильніше говорити, що блискавка йде не від неба до землі, а відбувається між ними.

Чому блискавка гримить?

Грім виникає в результаті ударної хвилі, що породжується швидким розширенням іонізованих каналів. Чому спочатку ми бачимо блискавку, а потім чуємо грім?Вся справа в різниці швидкостей звуку (340,29 м/с) та світла (299 792 458 м/с). Порахувавши секунди між громом та блискавкою та помноживши їх на швидкість звуку, можна дізнатися, на якій відстані від Вас вдарила блискавка.

Потрібна робота з фізики атмосфери?Для наших читачів зараз діє знижка 10% на

Види блискавок та факти про блискавки

Блискавка між небом і землею – не найпоширеніша блискавка. Найчастіше блискавки виникають між хмарами і не загрожують. Крім наземних та внутрішньохмарних блискавок, існують блискавки, що утворюються у верхніх шарах атмосфери. Які є різновиди блискавок у природі?

• Внутрішньохмарні блискавки;
• Кульові блискавки;
• "Ельфи";
• Джети;
• Спрайт.

Останні три види блискавок неможливо спостерігати без спеціальних приладів, оскільки вони утворюються висотою від 40 кілометрів і від.

Наведемо факти про блискавки:

• Протяжність найдовшої зафіксованої блискавки на Землі склала 321 км. Ця блискавка була помічена в штаті Оклахома, 2007 р.
• Найдовша блискавка тривала 7,74 секунди та була зафіксована в Альпах.
• Блискавки утворюються не тільки на Землі. Точно відомо про блискавки на Венері, Юпітере, Сатурнеі Уране. Блискавки Сатурна в мільйони разів могутніші за земні.
• Сила струму в блискавці може сягати сотень тисяч Ампер, а напруга – мільярда Вольт.
• Температура каналу блискавки може досягати 30000 градусів Цельсія - це в 6 разів більша за температуру поверхні Сонця.

Кульова блискавка

Кульова блискавка – окремий вид блискавки, природа якого залишається загадкою. Така блискавка є рухомим у повітрі світиться об'єкт у формі кулі. За нечисленними свідченнями кульова блискавка може рухатися непередбачуваною траєкторією, розділятися на дрібніші блискавки, може вибухнути, а може просто несподівано зникнути. Існує безліч гіпотез про походження кульової блискавки, але жодна не може бути визнана достовірною. Факт – ніхто не знає, як з'являється кульова блискавка. Частина гіпотез зводять спостереження цього явища галюцинаціям. Кульову блискавку жодного разу не вдалося спостерігати у лабораторних умовах. Все, чим можуть задовольнятися вчені, – це свідчення очевидців.

Насамкінець пропонуємо Вам переглянути відео та нагадуємо: якщо курсова чи контрольна впала на голову як блискавка у сонячний день, не потрібно впадати у відчай. Фахівця студентського сервісу рятують студентів з 2000 року. Звертайтеся за кваліфікованою допомогою у будь-який час. 24 години на добу, 7 днів на тиждень ми готові допомогти вам.

Грози трапляються на нашій планеті частіше за 40 тисяч разів на день - близько 100 спалахів блискавок кожну секунду. Але досі це явище остаточно не вивчене. «Теорії та практики» публікують уривок із книги Уолтера Левіна та Уоррена Гольдштейна «Очима фізика. Від краю веселки до межі часу», яку видавництво «МІФ» підготувало до виставки Non/fiction. Автори пояснюють, що таке блискавка і чи може від неї врятувати громовідвід, автомобіль чи кросівки на гумовій підошві.

Звичайно, один з найнебезпечніших видів струму - блискавка, яка також відноситься і до найпрекрасніших електричних явищ, потужних, не цілком передбачуваних, не до кінця зрозумілих і таємничих - загалом, справжній коктейль. У міфах різних народів - від стародавніх греків до індіанців майя - розряди блискавки описуються або як символи божеств, або як знаряддя їхньої відплати. І це не дивно. У середньому на землі щорічно проходить близько 16 мільйонів гроз (понад 43 тисячі щодня і приблизно 1800 щогодин), які щомиті виробляють близько 100 спалахів блискавок, або понад 8 мільйонів блискавок на день. Це в масштабах усієї планети.

Блискавка - це наслідок заряджання грозових хмар. Зазвичай верхня частина хмари заряджається позитивно, а нижня негативно. Чому саме так, вчені поки що до кінця не розібралися. Хочете вірте, хочете ні, але у фізиці атмосфери ще дуже багато питань, на які потрібно буде відповісти. А поки що з метою простоти обговорення давайте трохи спростимо ситуацію, уявивши собі хмару, яка негативно заряджена на тій стороні, яка знаходиться ближче до землі. Через індукцію земля, що ближче всього розташована до хмари, заряджається позитивно, і між нею та хмарою виникне електричне поле.

З фізичної точки зору розряд блискавки досить складний, але, по суті, її спалах (електричний пробій) виникає, коли електричний потенціал між хмарою та землею сягає десятків мільйонів вольт. І хоча ми нерідко думаємо про розряд блискавки як про «стрілянину» з хмари в землю, насправді рух іде і з хмари на землю, і з землі на хмару. Сила електричного струму під час розряду блискавки середньої інтенсивності становить близько 50 тисяч ампер (хоча може сягати й кількох сотень тисяч ампер), а максимальна потужність досягає близько трильйона (1012) ват, але триває це лише кілька десятків мікросекунд. Тим не менш, повна енергія, що виділяється в момент удару блискавки, рідко перевищує кілька сотень мільйонів джоулів, що еквівалентно енергії, що споживається за місяць стоватною лампочкою. Тож ідея збору енергії блискавки абсолютно непрактична та недоцільна.

Більшості з нас відомо, що визначити, як далеко від нас ударила блискавка, можна за часом, який минає між моментами, коли ми бачимо розряд і чуємо грім. Причина, якою це пояснюється, дозволяє нам також отримати деяке уявлення про потужні сили, задіяні в цьому процесі. І вона, до речі, не має нічого спільного з поясненням, одного разу почутим мною від свого студента: що блискавка створює щось подібне до області низького тиску, куди спрямовується повітря і стикається там із повітрям, що надходить з іншого боку, внаслідок чого виходить грім. Насправді все відбувається практично точно до навпаки. Енергія розряду нагріває повітря приблизно до 20 тисяч °С, тобто до температури, що більш ніж у три рази перевищує температуру поверхні Сонця. Потім це суперрозігріте повітря створює потужну хвилю тиску, вона стикається з холодним повітрям навколо неї, створюючи звукові хвилі, що поширюються у повітрі. Так як звукові хвилі в повітрі переміщуються зі швидкістю близько півтора кілометра за п'ять секунд, підрахувавши секунди, ви можете досить легко з'ясувати, наскільки далеко від вас вдарила блискавка.

Тим фактом, що блискавка настільки сильно нагріває повітря, пояснюється й інше явище, з яким ви, можливо, стикалися під час грози. Ви коли-небудь помічали, наскільки свіжий, особливий запах стоїть у повітрі після грози, наче буря очистила його? Звичайно, у великому місті це важко відчути, бо там повітря практично завжди просякнуте вихлопними газами від автомобілів. Але навіть якщо вам пощастило почути цей чудовий аромат, ви можете не знати, що це запах озону, молекули кисню, що складається з трьох атомів кисню. Як відомо, нормальні молекули кисню – без будь-якого запаху – складаються з двох атомів кисню, і ми записуємо їх як O2. Але приголомшливий жар від блискавки розбиває ці молекули - не все, але достатньо, щоб зробити певний ефект. Окремі атоми кисню, що виявилися в результаті, самі по собі нестабільні, тому прикріплюються до нормальних молекул О2, створюючи речовину О3 - озон.

Проте слід зазначити, що озон приємно пахне лише у невеликих кількостях; у високих концентраціях його запах менш привабливий. Його можна відчути, наприклад, під високовольтними проводами. Якщо ви чуєте звук, що дзижчить, що йде від проводів, це зазвичай означає, що там відбувається іскріння, зване коронним розрядом, в результаті якого і створюються молекули озону. Коли немає сильного вітру, зазвичай можна відчути досить неприємний запах.

"Блискавка вдаряє в літаки в середньому більше одного разу на рік, але завдяки скін-ефекту вони благополучно переживають ці удари"

А тепер повернемося до ідеї, що людину від наслідків удару блискавки можуть урятувати одягнені на неї кросівки на гумовій підошві. Розряд блискавки в 50-100 тисяч ампер, здатний розігріти повітря до температури, що більш ніж у три рази перевищує температуру поверхні Сонця, майже напевно спалить вас вщент, змусить битися в конвульсіях від сильного ураження електричним струмом або просто підірве вас, миттєво перетворивши всю воду вашому тілі в надгарячий пар. Абсолютно незалежно від того, у що ви взуті. Саме це відбувається з деревом, в яке вдарила блискавка, – сік у ньому вибухає та зриває з нього всю кору. Сто мільйонів джоулів енергії – еквівалент майже тридцяти кілограмів динаміту – це вам не фунт родзинок.

А як щодо того, чи безпечно перебувати всередині автомобіля, що захищає вас від удару блискавки завдяки гумовим шинам? Автомобіль дійсно може захистити вас у цій ситуації (проте ніяких гарантій!), але з зовсім іншої причини. Справа в тому, що електричний струм тече по поверхневих шарах провідника (це явище називається скін-ефектом), і сидячи в автомобілі, ви опиняєтеся всередині металевої коробки, а метал, як ми вже знаємо, хороший провідник. Ви навіть можете торкнутися внутрішньої частини панелі повітроводу і не отримати жодної травми. Тим не менш, я наполегливо закликаю вас цього не робити, оскільки це вкрай небезпечно, тому що в більшості сучасних автомобілів використовуються деталі зі скловолокна, а в цьому матеріалі скін-ефект відсутній. Іншими словами, якщо блискавка вдаряє у ваш автомобіль, ви – та й ваша машина – можете пережити не найприємніші секунди у житті. Якщо цікаво, перегляньте коротке відео , де показано, як блискавка вражає автомобіль. Думаю, ви зрозумієте, що з цим жартувати не варто!

На наше вами щастя, з літаками ситуація зовсім інша. Блискавка вдаряє в них у середньому більше одного разу на рік, але завдяки тому ж скін-ефекту вони благополучно переживають ці удари. Дивіться відео.

Є ще один знаменитий експеримент, пов'язаний із блискавками, авторство якого приписують Бенджаміна Франкліна, але я настійно не рекомендую вам його проводити. Йдеться про запуск під час грози повітряного змія із прив'язаним до нього металевим ключем. Імовірно, Франклін так мав намір перевірити гіпотезу про те, що грозові хмари створюють електричний вогонь. Він міркував наступним чином: якщо блискавка дійсно є джерелом електроенергії, то як тільки мотузка змія намокне від дощу, вона стане хорошим провідником (хоча вчений не використав цього слова) електрики і вона пройде вниз, до ключа, прив'язаного до її кінця. Розповідають також, що варто Франкліну піднести руку до ключа, як відразу з'являлася яскрава іскра. Так от, як і у випадку з Ньютоном, який наприкінці свого життя нібито стверджував, що на створення закону всесвітнього тяжіння його надихнуло яблуко, що впало на землю з дерева, жодних сучасних доказів того, що Франклін колись справді проводив цей експеримент, немає . Є тільки звіт у листі, надісланому ним до Королівського наукового товариства в Англії, і ще один письмовий документ, складений через п'ятнадцять років другом Франкліна Джозефом Прістлі (до речі, першовідкривачем кисню).

«Сто мільйонів джоулів енергії – еквівалент майже тридцяти кілограмів динаміту, – це вам не фунт ізюму»

Але чи проводив Франклін цей експеримент чи ні - що було б фантастично небезпечно і з дуже високою ймовірністю призвело до загибелі великого винахідника, - опис іншого експерименту він опублікував точно. В даному випадку завдання було - відвести блискавку в землю, навіщо вчений встановив на верхівці вежі довгий залізний стрижень. Декілька років потому француз Томас-Франсуа Далібар, який зустрівся з Франкліном і переклав його ідеї французькою мовою, провів цей експеримент в дещо іншій версії і став свідком воістину неймовірного явища. Далібар встановив залізний стрижень завдовжки більше 10 метрів і, спрямувавши його в небо, побачив у його незаземленої основи іскри.

Згодом професор Георг Вільгельм Ріхман, видатний учений, який народився в Естонії і жив у Санкт-Петербурзі, член Санкт-Петербурзької Академії наук, який багато років вивчав електричні явища, очевидно, натхненний експериментом Далібара, вирішив також спробувати його провести. Як розповідає Майкл Брайан у найцікавішій книзі Draw the Lightning Down: Benjamin Franklin та Electrical Technology in the Age of Enlightenment («Як знешкодити блискавку: Бенджамін Франклін та електротехніка в епоху Освіти»), Ріхман приладнав залізний прут до даху свого будинку та мідного даху. його з приладом для вимірювання електрики у своїй лабораторії, що розташована на першому поверсі.

Як навмисне – а може, це був знак долі, – у серпні 1753 року під час засідання Академії наук вибухнула найсильніша гроза. Ріхман кинувся додому, захопивши із собою художника, який мав ілюструвати його нову книгу. Поки Ріхман спостерігав за обладнанням, ударила блискавка, пройшла вниз по стрижню і ланцюгу, вистрибнула за півметра від голови вченого, ударила його струмом і відкинула через усю кімнату; художник теж отримав сильний удар струмом і знепритомнів. В інтернеті можна знайти кілька ілюстрацій цієї жахливої ​​сцени, хоча достеменно невідомо, чи був їх автором художник, який брав у ній безпосередню участь.

Франклін винайшов подібну штуковину, але його дітище було заземлено; сьогодні воно відоме під назвою громовідведення. Пристрій чудово заземлює удари блискавки, проте не з тієї причини, яку передбачав Франклін. Він вважав, що громовідвід викликатиме між зарядженою хмарою та будівлею безперервний розряд, тим самим зберігаючи різницю потенціалів на низькому рівні і, отже, знижуючи небезпеку удару блискавки. Вчений був настільки впевнений у своїй правоті, що порадив королю Георгу II встановити громовідведення на даху королівського палацу та на складах із боєприпасами. Опоненти Франкліна стверджували, що громовідводи лише притягуватимуть блискавки і що ефект розряду, знижуючи різницю електричних потенціалів між будинком та грозовими хмарами, буде зовсім незначним. Але король, як свідчить історія, довірився Франкліну і встановив громовідводи.

Незабаром після цього блискавка вдарила прямо в один із складів боєприпасів, але пошкодження виявилося мінімальними. Тобто стрижень спрацював, але з зовсім інших причин. Критики Франкліна були абсолютно праві: громовідводи справді притягують блискавки і розрядка стрижня справді незначна порівняно з величезним зарядом грозової хмари. Але громовідведення все ж таки дає бажаний ефект - тому що коли стрижень досить товстий, щоб впоратися з 10-100 тисячами ампер, струм залишатиметься в стрижні і заряд піде в землю. Виходить, Франклін був не тільки блискучим ученим – йому ще й щасливо щастило!

Хіба це не дивно, що, зрозумівши природу тихого потріскування, що лунає, коли ми знімаємо поліестеровий светр взимку, ми можемо осягнути суть жахливої ​​грози з блискавками, що освітлюють нічне небо, і розібратися в походження одного з найгучніших і найстрашніших звуків у природі?

У певному сенсі ми всі - сучасні версії Бенджаміна Франкліна, які намагаються з'ясувати і осягнути в цьому грізному явищі те, що поки що знаходиться за межами нашого розуміння. Наприкінці 1980-х років вчені вперше сфотографували різні форми блискавок, що сяють високо-високо у хмарах. Один з різновидів називається червоними привидами і складається з червонувато-жовтогарячих електричних розрядів, що відбуваються за 50–90 кілометрів над землею. А є ще сині струмені – вони набагато більші, іноді завдовжки до 70 кілометрів, і виникають у верхніх шарах атмосфери. Але ми знаємо про них лише трохи більше двадцяти років, і нам ще дуже мало відомо про причини цього приголомшливого природного явища. Навіть незважаючи на те, що люди вивчили електрику вже досить детально, грози, як і раніше, вкриті завісою таємниці - адже вони трапляються на нашій планеті близько 45 тисяч разів на день.

Блискавка – це потужний електричний розряд. Він виникає при сильній електризації хмар або землі. Тому розряди блискавки можуть відбуватися або всередині хмари, або між сусідніми електризованими хмарами, або між електризованою хмарою і землею. Розряду блискавки передує виникнення різниці електричних потенціалів між сусідніми хмарами або між хмарою та землею.

Електризація, тобто утворення сил тяжіння електричної природи, добре знайома з повсякденного досвіду.

Що викликає електризацію хмар? Адже вони не труться один про одного, як це відбувається при утворенні електростатичного заряду на волоссі та на гребінці.

Грозова хмара - це величезна кількість пари, частина якої сконденсована у вигляді дрібних крапель або крижинок. Верх грозової хмари може бути на висоті 6-7 км, а низ нависати над землею на висоті 0,5-1 км. Вище 3-4 км хмари складаються з крижинок різного розміру, тому що температура там завжди нижча за нуль. Ці крижини знаходяться в постійному русі, викликаному висхідними потоками теплого повітря від нагрітої поверхні землі. Дрібні крижинки легше, ніж великі, захоплюються висхідними потоками повітря. Тому "спритні" дрібні крижинки, рухаючись у верхню частину хмари, весь час стикаються з великими. Кожне таке зіткнення призводить до електризації. При цьому великі крижинки заряджаються негативно, а дрібні – позитивно. З часом позитивно заряджені дрібні крижинки опиняються у верхній частині хмари, а негативно заряджені великі – внизу. Інакше кажучи, верх грозової хмари заряджений позитивно, а низ - негативно.

Електричне поле хмари має величезну напруженість – близько мільйона В/м. Коли великі протилежно заряджені області підходять досить близько один до одного, деякі електрони та іони, пробігаючи між ними, створюють плазмовий канал, що світиться, за яким за ними спрямовуються інші заряджені частинки. Так відбувається блискавковий розряд.

Під час цього розряду виділяється величезна енергія - до мільярда Дж. Температура каналу досягає 10 000 К, що народжує яскраве світло, яке ми спостерігаємо при розряді блискавки. Хмари постійно розряджаються цими каналами, і бачимо зовнішні прояви даних атмосферних явищ як блискавок.

Розпечене середовище вибухоподібно розширюється і викликає ударну хвилю, що сприймається як грім.

Ми й самі можемо змоделювати блискавку, хай мініатюрну. Досвід слід робити у темному приміщенні, інакше нічого не буде видно. Нам знадобиться дві довгасті повітряні кульки. Надуємо їх і зав'яжемо. Потім, стежачи, щоб вони не стикалися, одночасно натріть їх вовняною ганчірочкою. Повітря, що наповнює їх, електризується. Якщо кульки зблизити, залишивши з-поміж них мінімальний зазор, то від одного до іншого через тонкий шар повітря почнуть проскакувати іскри, створюючи світлові спалахи. Одночасно ми почуємо слабке потріскування – мініатюрну копію грому при грозі.

Кожен, хто бачив блискавку, помітив, що це пряма, а ламана лінія, що яскраво світиться. Тому процес утворення провідного каналу для розряду блискавки називають її "ступінчастим лідером". Кожна з таких "сходинок" - це місце, де електрони, що розігналися до навколосвітніх швидкостей, зупинилися через зіткнення з молекулами повітря і змінили напрямок руху.

Таким чином, блискавка – це пробій конденсатора, у якого діелектриком є ​​повітря, а обкладками – хмари та земля. Місткість такого конденсатора невелика - приблизно 0,15 мкФ, але запас енергії величезний, оскільки напруга сягає мільярда вольт.

Одна блискавка складається зазвичай з кількох розрядів, кожен із яких триває лише кілька десятків мільйонних часток секунди.

Найчастіше блискавка виникає у купово-дощових хмарах. Блискавка буває також при вулканічних виверженнях, торнадо та пилових бурях.

Існує кілька видів блискавок за формою та за напрямом розряду. Розряди можуть відбуватися:

• між грозовою хмарою та землею,
• між двома хмарами,
• всередині хмари,
• йти з хмари в чисте небо – Стокове зображення